雷射焊接裝置的製作方法

2023-05-05 17:02:51

專利名稱：雷射焊接裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊接裝置，尤其涉及採用雷射作為加熱源的焊接裝置。
技術背景
在焊接、熔敷應用領域，可以採用雷射作為低溫焊接的加熱源來處理電子行業 的溫度敏感元件的焊接，特別是在電路板雷射錫焊這一應用領域，由於過高的溫度容易 導致電路板的損壞。因此，往往要求能夠對錫焊過程的溫度實現實時監控。發明內容
本發明要解決的技術間題在於克服上述現有技術的不足，而提出一種可以對錫 焊過程的溫度實現實時監控的雷射焊接裝置。
本發明解決上述技術問題所採用的技術手段包括，提出一種雷射焊接裝置，包 括一雷射發生模塊和與該雷射發生模塊電連接的一控制模塊，該裝置還包括能夠與激 光發生模塊光連接的一雷射導入準直模塊、能夠捕獲焊接點圖像的一 CCD圖像採集模 塊、能夠捕獲焊接點溫度的紅外溫度探測模塊以及與該三個模塊光連接的一光學模塊， 其中，經由該雷射導入準直模塊和光學模塊後形成的輸出雷射的焦點、該紅外測溫儀探 測模塊通過該光學模塊捕獲到的焊接處的最小點以及該CCD圖像採集模塊通過該光學模 塊捕獲到的焊接處的視場中心點三者是重合的。
其中，該CCD圖像採集模塊和該紅外溫度探測模塊均與該控制模塊電連接，該 控制模塊能夠根據該紅外溫度探測模塊提供的焊接點溫度，對該雷射發生模塊的輸出功 率進行控制。
該控制模塊是根據PID策略對該雷射發生模塊的輸出功率進行實時控制的。
該光學模塊包括五個鏡片，其中，第一鏡片為凸透鏡，起準直作用，設置在該 光學模塊的面向雷射發生模塊的一側；第二鏡片為45°反射鏡，設置在雷射的出射光路 以及該CCD圖像採集模塊的入射光路中；第三鏡片為凸透鏡，起聚焦作用，設置在雷射 的出射光路以及該CCD圖像採集模塊的入射光路中；第四鏡片為45°反射鏡，設置在 雷射的出射光路、該CCD圖像採集模塊的入射光路以及該紅外溫度探測模塊的入射光路 中；第五鏡片為反射鏡，設置在該紅外溫度探測模塊的入射光路中。
該第一鏡片鍍有與雷射波長相同的增透膜；該第二鏡片鍍有雷射波長相同的增 透膜以及CCD照明光源的光波長相同的高反膜；該第三鏡片鍍有雷射波長相同的增透 膜；該第四鏡片鍍有雷射波長相同的增透膜以及CCD照明光源的光波長相同的高反膜； 該第五鏡片鍍有雷射波長相同的高反膜。
所述的雷射的波長為980nm或1064nm。
所述的CCD照明光源的光波長為473nm。
該第一鏡片的焦距為100mm。
該第三鏡片的焦距為120mm。
該光學模塊還可包括第六鏡片，該第六鏡片為一薄玻璃片，設置在該光學模塊 的面向焊接點的一側，起保護作用。
與現有技術相比，本發明的雷射焊接裝置，可在雷射高速焊接過程，實現對焊 接目標溫度的精確控制。


圖1是本發明的雷射焊接裝置實施例的框圖。
圖2是本發明的PID閉環溫度控制的流程圖。
圖3是本發明的雷射焊接裝置中的雷射導入準直模塊、CCD圖像採集模塊、紅 外溫度探測模塊以及光學模塊四者的組合結構圖。
圖4是本發明的雷射焊接裝置中的與圖3相對應的光學原理圖。
具體實施方式
為了進一步說明本發明的原理和結構，現結合附圖對本發明的優選實施例進行 詳細說明。
如圖1所示，本發明的雷射焊接裝置1包括一雷射發生模塊11和與該雷射發 生模塊11電連接的一控制模塊12，能夠與雷射發生模塊11光連接的一雷射導入準直模塊 13，能夠捕獲待焊接物品2的焊接點圖像的一 CCD圖像採集模塊14，能夠捕獲待焊接物 品2的焊接點溫度的紅外溫度探測模塊15以及與雷射導入準直模塊13、CCD圖像採集模 塊14及紅外溫度探測模塊15三個模塊光連接的一光學模塊16。
如圖2所示，本發明的PID閉環溫度控制的流程包括
步驟101 設定待焊接物品2的加工過程的溫度曲線；
步驟102 通過PID算法調節雷射輸出功率；
步驟103 通過測溫探頭將待焊接物品2處的溫度轉換為電壓信號；
步驟104:通過溫度採樣將電壓信號轉換為溫度信號並反饋至控制模塊，以實 現PID算法調節雷射輸出功率。
通過該流程，紅外溫度探測模塊15實時採集待焊接物品2的溫度，與設定溫度 曲線比較，可以使待焊接物品2的實際溫度變化曲線與設定溫度曲線達到完美的擬合。
通過以上的閉環流程，當待焊接物品2的溫度低於設定溫度時，提高雷射的輸 出功率，進一步提高待焊接物品2的溫度；但加熱部件的溫度高於設定溫度時，則降低 雷射的輸出功率，使待焊接物品2冷卻到設定溫度，從而實現對待焊接物品2實時的溫度 檢測與控制。
如圖3所示，本發明的雷射焊接裝置1中的雷射導入準直模塊13、CCD圖像採 集模塊14、紅外溫度探測模塊15以及光學模塊16四者可以組合成一獨立的結構件。
圖4是本發明的雷射焊接裝置中的與圖3相對應的光學原理圖。
該光學模塊16由六個鏡片組成其可以配接1064nm或者980nm的雷射，下面以 配接980nm的半導體雷射發生模塊11為例介紹其鍍膜體系
第一鏡片Ml為焦距f = IOOmm的凸透鏡，起準直作用，鍍980nm的增透膜；
第二鏡片M2為45°反射鏡，鍍980nm的增透膜，以及473nm的高反膜；
第三鏡片M3為焦距f = 120mm的凸透鏡，起聚焦作用，鍍980nm的增透膜；
第四鏡片M4為45°反射鏡，鍍980nm以及473nm的高反膜；
第五鏡片M5為鍍980nm的高反膜；
第六鏡片M6為一薄玻璃片，其保護作用。
通過以上的膜系設計，可以實現以下三個功能。
(1)過濾掉1064nm或者980nm的雷射，使紅外溫度探測模塊15不受幹擾地探 測待焊接物品2的紅外輻射。
(2)對第二鏡片、第四鏡片兩個45度鏡鍍CCD照明光源的光波長的全反膜，使 諸如波長為473nm的照明光能進入CCD，照亮視場。
(3)對第二鏡片、第四鏡片兩個45度鏡鍍1064nm或者980nm的增透膜，減小 雷射傳播過程的損耗，充分利用雷射能量。
採用本發明的雷射焊接裝置進行焊接的過程，大致包括
參見圖3所示，雷射將由側面經由雷射導入準直模塊13導入，位於焊接頭上方 左邊的是CCD成像採集模塊14、右邊的是紅外測溫模塊15。
該雷射焊接裝置的工作原理是，首先，通過雷射輸出，找到工作焦點。然後， 通過調節紅外測溫模塊14的高度以及傾仰角，使紅外測溫模塊14兩個紅外指示重合在激 光的焦點上。此時，紅外測溫模塊14所測得到溫度既是雷射焦點工作物質的溫度。最 後，調節CCD成像採集模塊14，使CCD成像採集模塊14的十字叉絲的中心點與雷射的 焦點重合。通過以上三個步驟，就可實現雷射，紅外測溫模塊15，CCD成像採集模塊 14三路光學同軸，實現精確的監測以及控制。
與現有技術相比，本發明的雷射焊接裝置，通過將雷射光束整形聚焦、非接觸 式同軸溫度測量、CCD成像同軸檢測以及閉環溫度反饋功率控制四項技術高度集成，實 時採集焊接點的溫度信號，通過PID調節技術，對雷射功率實現實時控制，從而可實現 雷射高速焊接過程，對焊接目標溫度的精確控制以及有利於自動化控制。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的 精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之 內。
權利要求
1.一種雷射焊接裝置，包括一雷射發生模塊和與該雷射發生模塊電連接的一控制模 塊，其特徵在於，該裝置還包括能夠與雷射發生模塊光連接的一雷射導入準直模塊、 能夠捕獲焊接點圖像的一 CCD圖像採集模塊、能夠捕獲焊接點溫度的紅外溫度探測模 塊以及與該三個模塊光連接的一光學模塊，其中，經由該雷射導入準直模塊和光學模塊 後形成的輸出雷射的焦點、該紅外測溫儀探測模塊通過該光學模塊捕獲到的焊接處的最 小點以及該CCD圖像採集模塊通過該光學模塊捕獲到的焊接處的視場中心點三者是重合 的。
2.依據權利要求1所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該CCD圖像採集模塊和該紅 外溫度探測模塊均與該控制模塊電連接，該控制模塊能夠根據該紅外溫度探測模塊提供 的焊接點溫度，對該雷射發生模塊的輸出功率進行控制。
3.依據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該控制模塊是根據PID策略對 該雷射發生模塊的輸出功率進行實時控制的。
4.依據權利要求1所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該光學模塊包括五個鏡片，其 中，第一鏡片為凸透鏡，起準直作用，設置在該光學模塊的面向雷射發生模塊的一側； 第二鏡片為45°反射鏡，設置在雷射的出射光路以及該CCD圖像採集模塊的入射光路 中；第三鏡片為凸透鏡，起聚焦作用，設置在雷射的出射光路以及該CCD圖像採集模塊 的入射光路中；第四鏡片為45°反射鏡，設置在雷射的出射光路、該CCD圖像採集模塊 的入射光路以及該紅外溫度探測模塊的入射光路中；第五鏡片為反射鏡，設置在該紅外 溫度探測模塊的入射光路中。
5.依據權利要求4所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該第一鏡片鍍有與雷射波長相 同的增透膜；該第二鏡片鍍有雷射波長相同的增透膜以及CCD照明光源的光波長相同的 高反膜；該第三鏡片鍍有雷射波長相同的增透膜；該第四鏡片鍍有雷射波長相同的增透 膜以及CCD照明光源的光波長相同的高反膜；該第五鏡片鍍有雷射波長相同的高反膜。
6.依據權利要求5所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述的雷射的波長為980nm或 1064nm。
7.依據權利要求5所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述的CCD照明光源的光波 長為473nm。
8.依據權利要求4所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該第一鏡片的焦距為 IOOmm0
9.依據權利要求4所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該第三鏡片的焦距為 120mm ο
10.依據權利要求4所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，該光學模塊還包括第六鏡 片，該第六鏡片為一薄玻璃片，設置在該光學模塊的面向焊接點的一側，起保護作用。
全文摘要
一種雷射焊接裝置，包括一雷射發生模塊和與該雷射發生模塊電連接的一控制模塊，該裝置還包括能夠與雷射發生模塊光連接的一雷射導入準直模塊、能夠捕獲焊接點圖像的一CCD圖像採集模塊、能夠捕獲焊接點溫度的紅外溫度探測模塊以及與該三個模塊光連接的一光學模塊，其中，經由該雷射導入準直模塊和光學模塊後形成的輸出雷射的焦點、該紅外測溫儀探測模塊通過該光學模塊捕獲到的焊接處的最小點以及該CCD圖像採集模塊通過該光學模塊捕獲到的焊接處的視場中心點三者是重合的。可在雷射高速焊接過程，實現對焊接目標溫度的精確控制。
文檔編號B23K3/04GK102023614SQ20101050763
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月8日 優先權日2010年10月8日
發明者莊昌輝, 廖肇燕, 曾觀生, 高雲峰, 黃新震 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司